книги из ГПНТБ / Кушманов И.В. Электронные приборы учеб. пособие

Полупроводниковые фотоэлементы, работающие при приложен­ ном внешнем напряжении и имеющие один электрический переход, называются фотодиодами, а имеющие два перехода 1— фототран­ зисторами.

Фотоэлектрические приборы широко применяются в различных областях научных исследований и техники: для фотоэлектрического контроля и управления производственными процессами; для прие­ ма сигналов лазера, в технике звукового кино, фототелеграфии, технике телевизионной передачи; в фотометрии; для измерения ин­ тенсивности инфракрасного излучения; для преобразования солнеч­ ной энергии в электрическую; для приема ультрафиолетового и ин­ фракрасного излучений, для сигнализации и ночного видения.

6.2. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ФОТОЭЛЕМЕНТЫ

Основные законы фотоэлектронной эмиссии

Фотоэлектронная эмиссия возникает при облучении поверхности фотокатода, когда энергия электромагнитного излуче­ ния, поглощаясь веществом фотокатода, сообщается электронам. Если при этом энергия электрона оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера на границе катод—вакуум, электрон переходит в вакуум. При подаче на анод положительного напряжения вылетающие с фотокатода электроны направляются к -аноду и в цепи анода возникает фототок.

Основные законы фотоэлектронной эмиссии следующие:

1 Величина фототока /ф в режиме насыщения прямо пропор­ циональна падающему лучистому потоку Ф: І^ = КФ, где К — ко­ эффициент пропорциональности.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, опреде­ ляющая максимальную скорость вылетевших электронов, линейно возрастает с частотой падающего излучения и не зависит от его

интенсивности: 1^макс= —— =hv— Wo, где ѵ — частота света; h —•

2

постоянная Планка; І#о= <7Фо— работа выхода.

Следствием этого является то, что для каждого материала фо­ токатода существует длинноволновый порог фотоэффекта Ао, выше которого фотоэлектронная эмиссия отсутствует. Длинноволновый порог определяется соотношением hv— Wo— 0.

Так как между числом вылетевших фотоэлектронов п и числом падающих световых квантов N существует прямая пропорциональ­ ность, то коэффициент пропорциональности, называемый кванто­

где К к дано в A/Вт; X — в А. Квантовый выход всегда меньше еди­ ницы.

Для того чтобы фотокатод обладал высоким квантовым выхо­ дом в видимой части спектра, необходимо соблюдение следующих условий: работа выхода эВ, малый коэффициент отраже­ ния света, малые потери энергии фотоэлектронов в толще катода. Металлические фотокатоды не удовлетворяют этим условиям и мо­ гут эффективно применяться лишь в ультрафиолетовой области спектра. В современных электровакуумных фотоэлементах исполь­ зуют полупроводниковые фотокатоды как из собственных полупро­ водников, так из примесных п- или р-типа.

Параметры фотокатодов

" Ф км

отношению фототока в режиме насыщения к величине падающего светового потока Ф стандартного источника излучения.

ношению фототока в режиме насыщения к световому потоку моно­ хроматического излучения с заданной длиной волны X.

Спектральная характеристика фотокатода Kk =f(X), представ­

ляющая собой зависимость спектральной чувствительности от дли­ ны волны монохроматического излучения.

Существенное значение имеют также следующие параметры фотокатодов:, плотность тока термоэмиссии /т при отсутствии осве­ щения (Ф = 0), называемого поэтому темновыя током; термостой­ кость фотокатода, определяющая диапазон допустимых рабочих температур; стабильность фотокатода, т. е. способность сохранять параметры неизменными во времени'.

Темновой ток высоковакуумных фотоэлементов состоит из тока термоэмиссии катода и тока утечки между электродами.

,Типы фотокатодов

Техническое применение имеют следующие типы фо­ токатодов: кислородно-серебряно-цезиевый; фотокатоды из соеди­ нений элементов I—V групп (сурьмяно-цезиевый, висмуто-цезие­ вый и многощелочные); фотокатоды из соединений I—VI групп и металлические для ультрафиолетовой области спектра. Наиболее часто используются следующие фотокатоды:

Кислородно-серебряно-цезиевый фотокатод. Его основа — окись цезия Cs20 с примесью свободного цезия и вкраплениями частиц

321

серебра. На поверхности располагается пленка адсорбированных атомов цезия.

Сурьмяно-цезиевый фотокатод, представляющий собой химиче­ ское соединение типа СэзБЪ, обладающее свойствами примесного дырочного полупроводника, причем эмиссия фотоэлектронов в ос­ новном происходит из валентной зоны 'Cs3Sb. На поверхности об­ разуется пленка адсорбированных атомов цезия, снижающая по­ тенциальный барьер.

Выбор фотоэлемента для определенной области применения за­ висит, главным образом, от вида спектральной характеристики фо­ токатода. Фотоэлемент с большой протяженностью спектральной характеристики применяют в тех случаях, когда нужна высокая интегральная чувствительность. Ряд фотоэлементов обладает чув­ ствительностью лишь в области ультрафиолетовых лучей или же имеет избирательный максимум спектральной чувствительности Лмакс в области инфракрасных лучей. Для приема монохроматиче­ ского излучения служат фотокатоды с узкой спектральной харак­ теристикой, но с большим квантовым выходом.

На рис. 6Л даны сравнительные спектральные характеристики фотокатодов. Максимальная чувствительность принята за 100%.

прекращении освещения через некоторое время полностью или ча­ стично восстанавливается. Сильнее всего утомляются серебряно- кислородно-цезиевые фотокатоды (при большой освещенности их чувствительность снижается на 60:—80% от начального значения).

Электровакуумный фотоэлемент заключен в стеклянный бал­ лон, в котором (если фотоэлемент предназначен для работы в

322

Основные характеристики электровакуумных фотоэлементов

Спектральная характеристика — зависимость спект­ ральной чувствительности фотоэлемента от длины волны падаю­ щего монохроматического излучения. Она определяет область спек­ тра, в которой может использоваться фотоэлемент. Форма спект­ ральной характеристики зависит от типа катода, материалов под­ ложки и окна.

Световая характеристика — зависимость фототока /ф от свето­ вого потока Ф при неизменном спектральном составе его и при по­ стоянном анодном напряжении. Световые характеристики высоко­ вакуумных фотоэлементов линейны при небольших освещенностях. При больших освещенностях крутизна характеристики начинает уменьшаться; причиной этого явля­ ется утомление фотокатода, а также переход от режима насыщения к режиму пространственного заряда. У полупроводниковых фотокатодов, нанесенных на стекло баллона без металлической подложки, наблюда­ ются значительные отклонения от линейности.

Вольтамперная характеристика

— зависимость фототока Iф от на­ пряжения на аноде и при постоян­ ной величине светового потока Ф (рис: 6.3). Начальный восходящий участок вольтамперной характерис­

тики высоковакуумного фотоэлемента соответствует режиму про­ странственного заряда; при некотором анодном напряжении фото­ ток достигает насыщения, и характеристика становится горизон­ тальной.

323

фотоэлементах инерционность проявляется лишь на очень высоких частотах (время пролета -~-10_8с).

Температурная зависимость чувствительности. Чувствитель­ ность фотоэлементов зависит от температуры окружающей среды. При нагревании возрастает темновой ток и снижается чувствитель­ ность. При охлаждении увеличивается утомление фотокатода и также снижается чувствительность. Рекомендуемый интервал ра­ бочих температур от +50 до —20°С.

Газонаполненные фотоэлементы

Усиление фототока молено получить при заполнении' баллона фотоэлемента инертным газом и создании в нем несамо­ стоятельного темного разряда. Вольтамперная характеристика га­

те приводит к разрушению фотокатода в результате интенсивной ионной бомбардировки, и поэтому рабо­ чее напряжение должно устанавливаться значительно ниже 0 3.

Коэффициентом газового усиления называется отношение фо­ тотока газонаполненного фотоэлемента /г к фототоку того же фо­ тоэлемента при отсутствии газа / В4'т. е. к току фотоэлектронной эмиссии катода: К = /г//в- С увеличением анодного напряжения К увеличивается .и при ц= 240 В достигает значения 6-+Ю. За ра­ бочую область напряжений газонаполненного фотоэлемента обыч­ но принимают интервал напряжений от £/„ до 0,8U3. С увеличени­ ем светового потока, падающего на фотокатод, величина U3 умень­ шается.

Несмотря на высокую интегральную чувствительность газона­ полненных фотоэлементов, они имеют весьма ограниченное приме­ нение из-за значительной инерционности их работы, более сильного утомления фотокатода (вследствие ионной бомбардировки)', нели­ нейности световых характеристик при работе с нагрузкой и опас­ ности зажигания самостоятельного разряда.

324

6.3.ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ УМНОЖИТЕЛИ

Вфотоэлектронном умножителе (ФЭУ) используется

умножение потока электронов внутри прибора благодаря исполь­ зованию вторичной электронной эмиссии одного или, чаще, не­ скольких эмиттеров, помещаемых между фотокатодом и анодом. При коэффициенте вторичной эмиссии каждого эмиттера ц > 1 об­ щее усиление умножителя при п эмиттерах теоретически будет равно ап. Пороговая чувствительность ФЭУ оказывается лучшей, чем в системе фотоэлемент — усилитель, и, следовательно, ФЭУ способен обнаруживать значительно меньшие световые потоки.

Рисунок 6.5 поясняет работу ФЭУ. Световой поток падает на

нов, где п — число каскадов усиления. Выражение Ку=^аіГ\і опре- ;=і

деляет коэффициент усиления фотоумножителя. Он зависит от ко­ личества эмиттеров и коэффициентов сбора и достигает 10s раз.

Фотоэлектронные умножители состоят из катодной камеры и умножительной системы. Умножительные системы состоят из эмит­ теров и фокусирующей системы.

325

Фокусирующие системы бывают с магнитной фокусировкой электронных пучков, с электростатической фокусировкой электрон­ ных пучков и «сквозного» типа. Системы с магнитной фокусиров­ кой редко используются из-за громоздкости фокусирующих кату­ шек и зависимости усиления ФЭУ от напряженности магнитного поля. В ФЭУ с электростатической фокусировкой вторичные элек­ троны фокусируются в промежутке между соседними электродами.

Распространены коробчатые и корытообразные конструкции, эмкттеров. В качестве примера на рис. 6.6а показан вариант рас­ положения коробчатых эмиттеров; эмиттирующая поверхность каждого эмиттера экранируется от предыдущего электрода при по­

мощи сетки.

Значительное распространение имеет система «жалюзи». Рабо­ чая поверхность эмиттеров состоит из ряда пластин, наклоненных под определенным углом (рис. 6.66). Непосредственно к этим пла­

Рис. 6.6. Схемы рас­ положения эмиттеров ФЭУ:

а) коробчатых; б) си­

стемы «жалюзи»

стинам приварены сетки, служащие для экранирования от преды­ дущего электрода и обеспечения работы ФЭУ в режиме насыще­ ния. Достоинство системы «жалюзи» — большая площадь эмитте­ ров и большие выходные токи; недостатком же является пролет части электронов мимо эмиттеров сквозь их щели.

В ФЭУ применяются фотокатоды тех же типов, что и в высоко­ вакуумных фотоэлементах, поэтому ФЭУ и фотоэлементы имеют много одинаковых параметров. Но ФЭУ обладают еще своими спе­ цифическими характеристиками, например, зонной характеристикой, которая показывает зависимость анодного тока ФЭУ от места за­ светки фотокатода, что объясняется неполным сбором на первый эмиттер фотоэлектронов с различных участков катода.

Умножительная система характеризуется величиной коэффици­ ента усиления Ку, который зависит от типа и числа эмиттеров и пи­ тающего напряжения. Число эмиттеров обычно колеблется от 7 до 16. При 15 каскадах усиление доходит до Ю8—ІО9

Интегральная анодная чувствительность ФЭУ определяется как отношение выходного (анодного) тока к световому потоку от эта­ лонной лампы накаливания, падающему на фотокатод: /<а =

326

иметь в виду, что величина анодного тока в ФЭ.У ограничивается максимально допустимой мощностью, рассеиваемой анодом.

Темновой ток в ФЭУ состоит из токов термоэлектронной эмис­ сии фотокатода и первого эмиттера (термотоком второго и после­ дующих эмиттеров можно пренебречь); тока утечки в анодной це­ пи; тока электростатической эмиссии у острых краев электродов; тока оптической и ионной обратной связи.

Пороговая чувствительность определяет минимальную величину светового потока, которая может быть обнаружена ФЭУ. Величи­ на порога определяется, с одной стороны, темновым током, а с другой — электрическими флуктуациями. К ним относятся флукту­ ации дробового эффекта фототока и вторично-эмиссионного тока, поверхностного эффекта фотокатода й первого эмиттера. Если тем­ новой ток может быть значительно уменьшен выбором рациональ­ ной конструкции ФЭУ, правильного рабочего режима и охлажде­ нием ФЭУ, то электрические флуктуации принципиально неустра­ нимы. В условиях измерения весьма слабых световых потоков при помощи ФЭУ с малым темновым током начинает сказываться ра­ диационный шум, обусловленный флуктуациями плотности фото­ нов падающего света, и уже он будет ограничивать пороговую чувствительность ФЭУ.

6.4. ФОТОРЕЗИСТОРЫ

Внутренний фотоэффект состоит в том, что под дейст­ вием электромагнитной энергии валентному электрону передается полная энергия одного кванта (фотона), в результате чего элект­ рон может перейти в зону проводимости при условии, что величина энергии кванта больше энергии запрещенной зоны: h v ^A W првг

3 кэВ; следовательно, длинноволновый порог внутреннего фотоэф­ фекта А,о лежит далеко в инфра,красной части спектра. Энергия кван­ та при А Ж о недостаточна для перевода электрона в зону прово­ димости.

С другой стороны, существует и коротковолновый порог фото­ эффекта, когда увеличение коэффициента поглощения с уменьше­ нием К приводит к тому, что электромагнитная энергия целиком по­ глощается в тонком поверхностном слое полупроводника, где ско­ рость рекомбинации значительно больше, чем в объеме. Благодаря этому общая проводимость практически почти не возрастает.

Возможен случай, когда при облучении примесного полупровод­ ника его проводимость уменьшается (так называемый отрицатель­ ный внутренний фотоэффект). Это происходит при значительной концентрации ловушек, захватывающих возникающие при облуче­

327

нии носителей одного знака, в то время как носители другого знака диффундируют внутрь полупроводника и увеличивают скорость ре­ комбинации в объеме, уменьшая проводимость полупроводника,

.Особенностью фоторезисторов является их способность проводить ток в обоих направлениях в соответствии с полярностью включен­ ного последовательно с фоторезистором источника питания.

Изменение температуры фоторезистора ведет к изменению тем­ нового тока и фототока, а также длинноволнового порога фотоэф­ фекта.

Для изготовления современных фоторезисторов используют наи­ более фоточувствительные полупроводники: кремний, германий, селен, а также соединения свинца: сульфид свинца, селенид свинца и теллурид свинца, аналогичные соединения кадмия, висмута и др. Все они обладают чувствительностью в инфракрасной области спектра вплоть до 4 мкм.

Одним из важнейших параметров фоторезисторов является инте­ гральная чувствительность. Однако в фоторезисторах фототок Іф зависит не только от светового потока Ф, но также и от приложен­ ного к фоторезистору напряжения и, поэтому широко пользуются

напряжения. При этом предполагается наличие линейной зависимо­ сти между фототоком /ф и приложенным напряжением и.

Основными характеристиками фоторезисторов являются:

—вольтамперная I$ = f(u) при <£ = const, гд е /ф — фототок, рав­ ный разности между световым током / с и темповым током / т рези­ стора;

—световая Іф = І(Ф) при и = const;

ния светового потока.

Вольтамперные характеристики при небольших напряжениях у большинства фоторезисторов линейны; у некоторых типов фоторе­ зисторов линейность нарушается при больших значениях и, когда концентрация носителей начинает возра­

328

или меньшей инерционностью. Изменение фототока отстает от

значения, ни уменьшаться до нуля. С увеличением частоты f ам­ плитуда изменения фототока /ф уменьшается при той же амплитуде изменения лучистого потока. Частота, на которой фототок умень­ шается на 3 дБ, не превышает десятка килогерц.

При сравнении фоторезисторов с вакуумными фотоэлементами следует указать, что фоторезисторы обладают гораздо большей ин­ тегральной чувствительностью и меньшими размерами, более вы­ сокой стабильностью, но зато они инерционны, имеют нелинейную световую характеристику и значительную температурную зависи­ мость.

6.5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОЭЛЕМЕНТЫ (ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ)

Рассмотрим работу фотогальванического элемента с р-/г-переходом в вентильном режиме, когда внешнее напряжение равно нулю. В этом режиме при отсутствии освещения ток через фотоэлемент ие проходит. При облучении фотоэлемента поглощае: мые кванты вызывают переход электронов из валентной зоны в зо­ ну проводимости, в результате чего генерируются пары электрондырка.

Для создания фотоэдс на поверхность фотогальванического эле­ мента должно падать такое электромагнитное излучение, величина квантов которого превышает или, по крайней мере, равна ширине запрещенной зоны ДW. Это излучение сильно поглощается в полу­ проводнике, поэтому пары электрон—дырка образуются вблизи об­ лучаемой поверхности на небольшой глубине. Для того чтобы фо­ тоэлемент работал эффективно, необходимо, чтобы р-д-переход был расположен близко от облучаемой поверхности на расстоянии, меньшем диффузионной длины L, иначе возбужденные носители ре­ комбинируют, не дойдя до р-д-перехода, и заметный фототок не появится. Это условие выполняется, если облучать боковую поверх­ ность фотоэлемента на небольшом участке, прилегающем к р-д-пе­ реходу (рис. 6.8а), либо облучать поверхность одной из областей,

О) Сдет 6)

Рис. 6.8. Схематичес-. кое изображение по­ лупроводниковых фо­ тоэлементов

допустим, p-области, но толщину этой области сделать меньше диф­ фузионной длины носителей (рис. 6.86). Во втором случае можно получить большую рабочую поверхность фотоэлемента.